4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
2.2. Hệ siêu tụ điện
2.2.1. Giới thiệu tụ điện
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, có hai thành phần bản cực đặt song song và được ngăn cách bởi lớp điện môi.
Tụ điện là một thiết bị điện tử có hai thành phần là bản cực và chất điện môi. Cùng với điện trở và cuộn cảm, chúng là một trong những thành phần thụ động cơ bản nhất mà chúng ta sử dụng.
Hình 2.13: Tụ điện
Tụ điện có tác dụng như một ắc quy, có khả năng lưu trữ điện năng mà khơng làm tiêu hao năng lượng. Tụ điện cho phép dịng điện xoay chiều đi qua có khả năng dẫn điện
16 giống như một điện trở đa năng, hỗ trợ đắc lực cho việc lưu thơng điện áp qua tụ. Các tụ điện có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong mạch. Các ứng dụng phổ biến bao gồm: lưu trữ năng lượng cục bộ, triệt tiêu điện áp và lọc tín hiệu phức tạp.
2.2.2. Ký hiệu và đơn vị
Mỗi tụ điện phải được kèm theo một tên – C1, C2, v.v. - và một giá trị. Giá trị phải chỉ ra điện dung của tụ điện, nó có bao nhiêu Farad.
Khơng phải tất cả các tụ điện đều được tạo ra bằng nhau. Mỗi tụ điện có một giá trị điện dung cụ thể. Điện dung của một tụ điện cho biết nó có thể lưu trữ bao nhiêu điện tích, điện dung lớn hơn là khả năng lưu trữ điện tích của tụ lớn hơn. Đơn vị điện dung tiêu chuẩn được gọi là farad, ký hiệu là F.
Một farad có thể chứa rất nhiều điện dung, thậm chí 0,001F (1 mili-farad - 1mF) là một tụ điện lớn. Thông thường, bạn sẽ thấy các tụ điện được xếp hạng trong phạm vi pico-( 10−12) đến micro-farad (10−6).
Bảng 2.1: Đơn vị điện dung
Prefix Name Abbreviation Weight Equivalent Farads
Pico-farad pF 10−12 0.000000000001 F
Nano-farad nF 10−9 0.000000001 F
Micro-farad µF 10−6 0.000001 F
17
Kilo-farad kF 103 1000F
2.2.3. Cấu tạo của một tụ điện
Cấu tạo của tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.
Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm: thủy tinh, giấy; giấy tẩm hoá chất; gốm; mica; màng nhựa hoặc khơng khí. Các điện mơi này khơng dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện.
Điện dung của một tụ điện - có bao nhiêu farad - phụ thuộc vào cách nó được cấu tạo. Nhiều điện dung hơn đòi hỏi một tụ điện lớn hơn. Các tấm có diện tích bề mặt chồng chéo nhiều hơn cung cấp nhiều điện dung hơn, trong khi khoảng cách giữa các tấm nhiều hơn có nghĩa là điện dung ít hơn. Vật liệu của chất điện mơi thậm chí cịn ảnh hưởng đến việc có bao nhiêu Farad mà một tụ điện có thể có. Tổng điện dung của một tụ điện có thể được tính bằng phương trình:
C=εr4Aπd
Trong đó: εr là hằng số điện môi (giá trị không đổi được xác định bởi vật liệu điện mơi),
A là diện tích của các bản cực chồng lên nhau và d là khoảng cách giữa các bản.
Hằng số điện môi
Hằng số điện môi của một chất cách điện thông dụng để làm tụ điện có trị số như bảng sau: Khơng khí khơ: ɛ = 1 Parafin: ɛ = 2 Ebonit: ɛ = 2,7 ÷ 2,9 Giấy tẩm dầu: ɛ = 3,6 Gốm (Ceramic): ɛ = 5,5 Mica: ɛ = 3,6
18
2.2.4. Nguyên lý hoạt động
Dòng điện là dịng điện tích, là thứ mà các thiết bị điện khai thác để phát sáng,hoặc quay tròn, hoặc làm bất cứ chức năng nào của chúng. Khi dòng điện chạy vào tụ điện, các điện tích bị "kẹt" trên các bản vì chúng khơng thể vượt qua lớp điện mơi cách điện. Electron - các hạt tích điện âm - bị hút vào trong một bản và nó trở nên tích điện âm tổng thể. Một lượng lớn điện tích âm tích trên một tấm đẩy đi giống điện tích trên tấm cịn lại, khiến nó tích điện dương.
Hình 2.14: Ngun lý tích điện của tụ
Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện giống
như một ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường. Nó lưu trữ hiệu quả của các
electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra các dịng điện. Điểm khác biệt lớn nhất
của tụ điện với ắc quy là tụ điện khơng có khả năng sinh ra điện tích electron.
2.2.5. Các đặc tính của tụ điện
Thực hiện lại thí nghiệm nạp điện và xả điện của tụ điện như mạch bên dưới để khảo sát điện áp nạp được trên tụ và dòng điện nạp vào tụ theo thời gian.
19
Hình 2.15: Sơ đồ mạch điện
2.2.5.1. Đặc tính nạp điện
Khi bật cơng tắc K sang vị trí 1 thì tụ bắt đầu nạp điện từ điện áp 0V tăng dần đến điện áp
UDC theo hàm số mũ đối với thời gian t.
Điện áp tức thời trên hai đầu của tụ được tính theo cơng thức:
UC(t)=UDC(1−etτ)
Trong đó
t: thời gian tụ nạp (đơn vị là giây: s) e = 2,71828
τ = R . C (đơn vị là giây: s)
τ được gọi là hằng số thời gian nạp điện của tụ
Theo đặc tuyến (hình 2.22), sau một thời gian t = τ , tụ nạp được điện áp UC=¿ 0,63UDC
20
Hình 2.16: Đặc tính tụ nạp điện.
Trong khi điện áp tụ nạp được tăng dần thì dịng điện nạp tụ lại giảm dần từ trị số cực đại ban đầu là:
I = UDC
R xuống trị số cuối cùng là 0A (hình 2.22) Dịng điện nạp tức thời của tụ được tính theo cơng thức:
𝑖(t) = UDC
R e
t τ
2.2.5.2. Đặc tính xả điện
Sau khi tụ nạp đầy, điện áp nạp được trên tụ là UC(t)=UDC, bật cơng tắc K sang vị trí 2 (hình 2.15), tụ xả điện qua điện trở R, điện áp trên tụ từ vị trí trị số UDC sẽ giảm dần đến
0V theo hàm số mũ đối với thời gian t.
Điện áp trên hai đầu tụ khi xả được tính theo cơng thức:
UC(t)=UDC.etτ
Trong đó
t: thời gian tụ xả (giây: s) e = 2,71828
τ = R . C (đơn vị là giây: s)
Theo đặc tuyến (hình 2.17), sau một thời gian t = τ điện áp trên tụ chỉ còn 0,37UDC tức là
tụ đã xả hết 0,63 điện áp ban đầu là UDC – sau một thời gian t = 5τ thì điện áp trên tụ chỉ
21
Hình 2.17: Đặc tính tụ xả điện
Trường hợp xả điện, dịng điện xả cũng giảm dần theo hàm số mũ theo trị số cực đại ban đầu là U = UDC
R e
−t
τ xuống trị số cuối cùng là 0A.
2.2.6. Tụ điện nối tiếp/song song
Giống như điện trở, nhiều tụ điện có thể được kết hợp thành chuỗi hoặc song song để tạo ra một điện dung tương đương kết hợp. Tuy nhiên, các tụ điện kết hợp với nhau theo cách hoàn toàn trái ngược với điện trở.
2.2.6.1. Tụ điện nối tiếp
Hai tụ điện ghép nối tiếp điện dung là C1, C2 có cùng dịng điện nạp I nên điện tích của hai tụ nạp sẽ bằng nhau do Q = I . t.
Hình 2.18: Mắc nối tiếp tụ
Tổng điện dung của N tụ nối tiếp là nghịch đảo tổng của tất cả các điện dung nghịch đảo: 1
22 Nếu bạn chỉ có hai tụ nối tiếp, bạn có thể sử dụng phương pháp "product-oversum" để tính tổng điện dung:
CTot= C1C2 C1+C2
2.2.6.2. Tụ điện nối song song
Khi các tụ điện được đặt song song với nhau, tổng điện dung chỉ đơn giản là tổng của tất cả các điện dung. Điều này tương tự như cách thêm điện trở khi nối tiếp.
Hình 2.19: Mắc song song tụ
Tổng điện dung của N tụ song song là tổng của tất cả các điện dung thành phần.
CTot=C1+C2+…+CN−1+CN
2.2.7. Siêu tụ điện
2.2.7.1. Cấu tạo siêu tụ điện
Siêu tụ điện có hai lá kim loại, mỗi lá gắn liền với một lớp than hoạt tính, ở giữa có một tấm ngăn cách mỏng thường là giấy đặc biệt tạo thành tấm ngăn cách, tất cả nhúng vào dung dịch điện phân.
Khi nối hai lá kim loại với cực dương, cực âm của nguồn điện một chiều, dưới tác dụng điện trường những ion âm trong dung dịch điện phân bị hút về phía lớp than hoạt tính nối với cực dương và chui vào các lỗ nhỏ trong than hoạt tính. Tương tự những ion mang điện dương chạy về phía tấm than hoạt tính nối với cực âm chui vào các lỗ nhỏ bê trong than hoạt tính.
23 phía bên trong tụ điện còn các ion âm và dương vẫn chuyển động thoải mái. Nhìn hình vẽ ta thấy có hai lớp điện tích sinh ra giống như là hai tụ điện mắc nối tiếp. Vì vậy người ta gọi siêu tụ điện là tụ điện có lớp điện tích kép EDLC (Electric Double Layer Capacitor).
Hình 2.20: Cấu tạo của siêu tụ điện
Đến đây ta có thể hiểu tại sao siêu tụ điện có điện dung C rất “siêu”. Một là than hoạt tính có rất nhiều lỗ nên diện tích mặt ngồi S rất lớn, thí dụ 250 gam than hoạt tính có diện tích mặt ngồi tổng cộng là 375.000 mét vuông. Hai là khoảng cách d giữa các lớp mang điện tích trái dấu rất nhỏ, chỉ vào cỡ nanomet (10−9m). Hai lý do chính là S lớn và d nhỏ làm cho siêu tụ điện có điện dung C nhiều bậc lớn hơn điện dung của tụ điện thơng thường. Dễ dàng có được siêu tụ điện với điện dung hàng trăm Farad.
2.2.8. Ưu và nhược điểm của siêu tụ điện2.2.8.1. Ưu điểm của siêu tụ điện 2.2.8.1. Ưu điểm của siêu tụ điện
Siêu tụ điện có nhiều lợi thế như:
Hiệu quả rất cao.
Khả năng sạc nhanh, mặc dù siêu tụ điện không thể lưu trữ nhiều năng lượng như pin lithium-ion có cùng kích thước, nhưng siêu tụ điện có thể bù đắp điều đó bằng tốc độ sạc. Trong một số trường hợp, chúng sạc nhanh hơn gần 1.000 lần so với thời gian sạc của pin có dung lượng tương tự. Với tốc độ sạc này, gần như có thể sạc ngay lập tức cho một chiếc xe điện [4].
24
Siêu tụ điện có tuổi thọ cao hơn pin, để so sánh tuổi thọ, thì pin lithium-ion trung bình từ 500 đến 10.000 chu kỳ. Cịn siêu tụ điện có tuổi thọ dao động từ 100.000 đến một triệu chu kỳ.
Siêu tụ điện có thể chịu được mọi nhiệt độ trong khoảng từ -30 đến 65 độ trong khi pin có thể chịu được từ 10 đến 40 độ C.
Các siêu tụ có trọng lượng rất nhẹ.
Các siêu tụ điện có thể được cài đặt trong một khu vực hẹp vì nó có kích thước rất nhỏ.
Các siêu tụ điện có phản ứng thống qua rất nhanh.
2.2.8.2. Nhược điểm của siêu tụ điện
Bên cạnh đó siêu tụ điện cũng có một số nhược điểm sau: Các siêu tụ điện có năng lượng riêng rất thấp.
Rất khó để tạo ra siêu tụ điện có cơng suất điện áp cao ở thời điểm hiện tại, đó là lý do tại sao hầu hết các siêu tụ điện 2.7V đều có sẵn trên thị trường.
Thuộc tính điện áp phóng tuyến tính của chúng là một bất lợi. Đặc tính điện áp phóng tuyến tính có nghĩa là khi siêu tụ phóng 50% tổng năng lượng dự trữ, điện áp cũng giảm một nửa. Có nghĩa là nếu điện áp đầy của chúng là 2,7V thì điện áp sẽ giảm xuống còn 1,3V. Nhưng trong trường hợp pin, điện áp sẽ gần với điện áp đầy thậm chí khi pin xả 50% năng lượng.
Giá của siêu tụ điện cao hơn pin Li-ion cùng dung lượng.
Siêu tụ điện xả nhanh hơn pin khi khơng được kết nối với tải hoặc nói cách khác, đặc tính tự xả của siêu tụ là một bất lợi nữa.
2.2.9. Ứng dụng của siêu tụ trên ô tô hiện nay
Trung Quốc đã thử nghiệm từ 2005 ở Thượng Hải loại xe buýt điện mới gọi là Capabus (Capacitor Bus). Loại xe này được trang bị động cơ điện chạy bằng điện chứa ở siêu tụ điện. Dọc đường xe chạy khơng có đường dây căng ở trên để xe có cần lấy điện từ đường dây như xe buýt chạy điện thông thường. Ở các trạm đỗ xe dọc đường có chỗ lấy điện để nạp nhanh điện cho siêu tụ điện, thời gian nạp điện ngắn hơn thời gian hành khách lên xuống, ở các trạm dừng xe đầu và cuối có chỗ nạp điện thật no cho siêu tụ điện [5].
25 Năm 2001 và 2002 nước Đức đã thử nghiệm tuyến xe buýt công cộng sử dụng kết hợp diesel và siêu tụ điện. Từ năm 2003 tại Manheim Sadbahn, nước Đức đã vận hành tuyến đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích năng lượng phanh. Siemens AG đã phát triển Sibac Energy Storage dựa trên siêu tụ điện dùng cho phương tiện di động. Công ty Senelec cũng đã phát triển hệ thống giao thông dựa trên siêu tụ điện. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, các siêu tụ điện có tương lai đầy hứa hẹn [5].
Bên cạnh đó, cơng nghệ siêu tụ điện hiện đang được ứng dụng cho các xe điện ở Tây Ban Nha và Pháp cũng như cho các xe điện và xe buýt “lai” trên tồn thế giới. Đối với xe bt, cơng nghệ này có thể giảm khoảng 30% lượng khí thải cacbon. MAN, một cơng ty sản xuất phương tiện trọng tải lớn tại Munich đã ước tính những toa xe có lắp thiết bị siêu tụ điện có thể tiết kiệm khoảng 4500 USD một năm chi phí nhiên liệu.
Hệ thống năng lượng tổng hợp pin - siêu tụ điện kết hợp các ưu điểm của siêu tụ điện và pin, không chỉ cải thiện các đặc tính cơng suất tức thời của xe điện mà cịn tránh xả pin, kéo dài tuổi thọ của pin và tăng tốc độ xe điện. Đây là một hướng phát triển quan trọng cho các siêu tụ điện trong lĩnh vực giao thơng và có triển vọng với thị trường rộng lớn. Do áp lực kép của ô nhiễm môi trường và cuộc khủng hoảng dầu mỏ, xe điện đã từng bước trở thành một chiếc xe xanh quan trọng trong cuộc sống của người dân. Nguồn điện là nguồn năng lượng chính cho xe, nhưng cơng nghệ pin hiện tại không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của xe điện.
Một siêu tụ điện là một thành phần lưu trữ năng lượng giữa pin và một tụ điện tĩnh điện. Nó có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với tụ tĩnh điện và mật độ công suất cao hơn nhiều so với pin, và không chỉ phù hợp với nguồn đầu ra cơng suất ngắn, mà cịn có thể được sử dụng để cải thiện đặc tính chuyển động khi xe điện khởi động, tăng tốc và lên dốc,bởi vì nó có cơng suất cao hơn, năng lượng riêng cao hơn và nhiều năng lượng hơn. Ngồi ra, siêu tụ có những ưu điểm độc đáo như điện trở thấp, điện tích cao và hiệu suất xả cao (hơn 90%), tuổi thọ dài (hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn lần), khơng gây ơ nhiễm như các nguồn năng lượng khác. Phối hợp sử dụng giữa pin và siêu tụ là một cách hiệu quả để tái chế năng lượng và giảm ơ nhiễm, có thể cải thiện đáng kể khoảng cách chạy của xe điện với một lần sạc. Do đó, siêu tụ điện có triển vọng ứng dụng rộng rãi
26 trong lĩnh vực xe điện và sẽ là một trong những hướng đi quan trọng cho sự phát triển của xe điện trong tương lai.
Hiện nay, Nhật Bản, Mỹ, Thụy Sĩ, Nga và các nước khác đang đẩy mạnh phát triển siêu tụ điện và nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện trong hệ thống xe điện.
Một trong những ứng dụng lớn nhất của hệ thống pin – siêu tụ điện chính là hệ thống
phanh tái tạo năng lượng trên các dịng xe ơ tơ điện hiện đại. Cụ thể, phần năng lượng
sinh ra khi phanh sẽ được sạc ngược lại vào siêu tụ điện. Với ưu điểm sạc nhanh, tụ hóa
